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全口义齿三维有限元建模方法的研究进展
无牙颌患者的义齿修复一直是口腔修复中的难点之一.常规修复方式为传统全口义齿,随着近几十年种植技术的发展为无牙颌患者修复提供了更多选择方案,如种植固定全口义齿、种植固位/支持式覆盖义齿及种植固定活动联合修复义齿等等.口腔生物力学为口腔疾病治疗方法的改进、修复材料的开发及使用器械的研究提供了力学基础.其中有限元法作为一种生物力学分析的方法在医学领域中应用极其广泛.三维有限元法特别适合用于分析形状复杂的物体如义齿应力分布等问题,而快速有效地建立三维有限元模型是进行有限元分析的第一步.本文将回顾相关文献,就建立全口义齿三维有限元模型的方法作一综述.
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应用Bite Turbo矫治深覆合的三维有限元分析
背景建立粘结Bite Turbo后上下颌前牙的三维有限元模型,分析上颌前牙受力后的位移分布及受力情况.目的 通过CBCT获取数据,Mimics及ANSYS等软件进行处理分析,建立几何相似性和力学相似性较高的Bite Turbo矫治低角深覆合的三维有限元模型,并进行上颌前牙的力学分析,为临床中使用Bite Turbo提供生物力学机制的基础理论.方法通过CBCT对低角深覆合患者进行扫描获取上下前牙及上颌骨的数据,通过Mimics17.0进行三维模型的重建,Geomagic12.0逆向处理,UG8.5调整模型及建立导板模型,ANSYS16.1进行有限元分析计算,完成包括上颌骨,上下前牙及Bite Turbo平面导板的三维有限元模型建立.并模拟口内咬合力及方向,通过下牙对Bite Turbo进行载荷施力,进行上颌前牙的应力分析及计算,并得到位移云图及矢量图,进而分析上颌前牙的受力.结果建立了由46361个单元,142686个节点组成的的三维有限元模型.所建立的三维有限元模型能较真实模拟患者口内的实际情况,具有较好的力学和几何学相似性,并进行下一步的生物力学研究,获得可靠地生物力学分析结果,进而为临床操作提供理论依据.结论通过ANSYS有限元分析计算得出的上颌前牙的应力分析表明:粘结Bite Turbo后,当上下颌前牙咬合时,上颌前牙整体受到咬合力作用且越靠近根部受力越大.位移云图及矢量图表现为冠根均向唇侧移位,冠部位移远大于根部位移.
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不同咬合状态下瓷贴面的应力分布影响
目的 分析不同咬合状态下瓷贴面的应力分布影响.方法 将上中切牙用环氧树脂包埋,精密机床逐层切削,数码成像.用pro-engineer软件生成瓷贴面模型,用pro-mechanica软件进行有限元分析.结果 正中牙合加载状态下瓷贴面的应力高于其它两种加载情况,且切端对接型瓷贴面的颈部内侧出现一高应力区;正中牙合加载时切端包绕型瓷贴面的应力分布较小.结论 对于正常咬合患者瓷贴面应采用切端包绕型设计.瓷贴面修复体颈部边缘应尽量圆钝.对于对刃牙合患者瓷贴面应避免切端接触.
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减阻牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元分析
目的 建立减阻牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型,探讨尖牙远中移动时及牙周组织的应力分布情况,为其临床广泛应用提供理论依据.方法 通过64排螺旋CT扫描,获得颞下颌关节(TMJ)、下颌骨、下颌牙列截面影像的DICOM数据.采用Mimics软件、Geomagic Studio 8.0软件、Unigraphics NX软件、Ansys11.0软件相结合的方法,建立常规状态下移动尖牙(模型1)、牙周膜牵张成骨术快速移动尖牙(模型2)、牙槽骨减阻牵张成骨快速移动尖牙(模型3)的三维有限元模型,对3种模型进行力的加载,并观察尖牙、牙周膜、牙槽骨应力分布.结果 3种模型的大位移均发生在尖牙牙冠的上1/3,大位移量模型3＞模型2＞模型1,并且位移从尖牙牙冠到根尖逐渐减少；模型1大等效应力主要集中在尖牙远中牙槽嵴中间处,而模型2、3大等效应力集中区转移到了尖牙远中牙槽嵴偏向舌侧处.结论 在牵引尖牙远中移动过程中,去除其部分骨阻力,能有效加速牙移动速度,同时,尖牙有远中倾斜移动趋势；在牵引力作用下尖牙向远中移动的同时有舌向旋转的趋势,我们在临床工作中采取相应措施避免尖牙舌向旋转.
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牙本质领对桩冠修复牙牙体应力的影响--三维有限元研究
目的:研究牙本质领对牙体应力的影响,揭示箍效应的力学本质.方法:建立上中切牙桩核修复的三维有限元模型,分析100 N静载荷下,牙本质领高度由0～2 mm按0.5 mm递增,共5种情况下,牙体内Von Mises应力的变化和分布规律.结果:①在100 N载荷下,牙体内Von Mises应力由桩末端向牙颈部方向逐渐升高,并在颊侧根颈1/3和颈缘形成两个应力高峰区.②增加牙本质领高度可以降低牙体内Von Mises应力峰值.结论:牙本质领对牙体具有一定的保护作用,临床上应尽量保留冠部牙体组织.
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球帽附着体义齿分裂基托设计的三维有限元分析
目的 对比分析球帽附着体义齿分裂基托和传统基托两种设计的应力分布,为临床球帽覆盖义齿基托的选择提供参考.方法 建立两种不同基托设计的球帽覆盖义齿三维有限元模型,模拟垂直和斜向载荷,分析基牙、牙周膜、牙槽骨、黏膜的应力分布及义齿基托垂直向移位情况.结果 分裂基托设计更利于减小加载侧基牙及其支持组织的应力,黏膜和游离端牙槽骨的应力增加且分布均匀.斜向加载更容易造成基牙及周围支持组织较大的应力集中及较大的游离端义齿动度.结论 球帽附着体义齿分裂基托设计可以起到一定的保护基牙及牙槽骨的作用,但在临床应用时应尽量减少斜向力.
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三维有限元法在根管治疗研究中的应用
三维有限元分析法是口腔生物力学中重要的理论应力研究方法，近年来广泛应用于根管治疗的研究领域。为优化根管预备器械、改进根管治疗方法、预防牙根折裂等提供力学研究基础。本文从根管预备和根管充填中的应力分析方面对三维有限元法在根管治疗中的应用进行综述。
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不同桩核材料修复效果的三维有限元分析
目的:从生物力学角度探讨桩在牙体缺损修复中的意义;分析不同材料桩核的修复效果.方法:选择一接近标准的上颌中切牙,在微机上建立天然牙的三维有限元模型,以及牙根及桩核的仿真模型,对天然牙和三种类型材料的桩核模型,进行切端模拟加载,对比分析模型内的牙本质应力分布情况.结果:桩修复后,牙本质的应力分布模式发生了改变,金属桩改变应力分布模式的作用明显,复合树脂桩差.结论:桩在牙体缺损修复中有保护功能,复合桩是一种较理想的桩核设计.
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桩核冠修复材料对牙体应力的影响
目的:通过不同的桩核冠材料修复牙的牙体应力分析,为临床选择修复材料提供生物力学依据.方法:建立上中切牙桩核修复的三维有限元模型,分别分析金合金桩核-镍铬全冠、金合金桩核-金合金全冠、金合金桩核-陶瓷全冠和镍铬桩核-镍铬全冠、镍铬桩核-金合金全冠、镍铬桩核-陶瓷全冠6种情况下牙体应力的情况.结果:镍铬合金桩核组牙体内大Von Mises应力为113.70 MPa,金合金桩核组为74.03MPa,较前者降低了34.89%.结论:桩核材料对牙体应力分布和应力峰值的影响明显,而冠材料对牙体应力的影响不大.用弹性模量较低的桩核材料进行修复有助于降低牙体折裂的可能性.
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种植体与天然牙在上颌骨复合体中应力的比较
目的:比较种植体与天然牙在上颌骨复合体中在垂直和水平载荷下的应力分布.方法:采用三维有限元法.结果:种植体与天然牙上颌骨复合体相同牙位、相同载荷下应力分布趋势相同,力的大小比较接近,垂直载荷下种植体周围应力大于天然牙.结论:骨结合种植体虽然没有牙周膜的缓冲,但其与骨连成整体,可有效地传递应力,骨结合种植体在上颌骨种植具有力学可行性.
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载荷下牙尖斜度对全口义齿基托下支持组织应力分布的影响
目的:探讨载荷下后牙牙尖斜度对上颌全口义齿基托下支持组织压应力分布的影响.方法:建立0°、20°、30°三种牙尖斜度的上颌全口义齿及其支持组织的三维有限元模型,分别进行全牙列、前牙列、单侧及双侧后牙列加载,分析无牙颌各区支持组织所受压应力值大小.结果:全牙列加载时,无牙颌呈现大范围较高压应力区,尤其是前牙区;随牙尖斜度增加,高应力区由前外向后内转移.前牙列加载时,无牙颌前部受压较大,牙尖斜度对压应力值影响不大.双侧或单侧后牙加载,后牙区产生较大压应力,且压应力值与牙尖斜度成正相关关系.结论:加载方式决定了无牙上颌骨表面压应力分布状况,而牙尖斜度对压应力值大小有明显影响,且影响程度与加载方式有关.
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上中切牙桩核冠修复的三维有限元研究
目的:将桩长与牙本质领结合起来进行研究,揭示二者对牙体应力的影响.方法:建立上中切牙桩核修复的三维有限元模型,分析牙本质领分别为0mm和2mm时,桩长的变化对牙体应力的影响.结果:桩越深入牙体,牙体内大主应力、Von Mises应力越大.在桩长相同的情况下,牙本质领高度越大,牙体内的综合应力水平越低.结论:减少桩长和增加牙本质领高度可协同降低牙体应力.
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种植体在上颌骨复合体应力的三维有限元分析
目的:比较种植体在上颌骨复合体前、中、后3个部位,在垂直和水平载荷下的应力分布,讨论种植体在上颌骨复合体中的生物力学行为.方法:采用三维有限元法.结果:种植体在上颌骨复合体内.加载后,上颌骨复合体各部位应力均较小,较加载部位和种植体内应力小.上颌骨复合体前、中、后3个种植体比较.种植体和上颌骨复合体应力后牙大于尖牙大于前牙.结论:上颌骨复合体具有良好的使集中受力分散的作用、上颌骨复合体内种植具有良好的生物力学可行性.
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颧区垂直骨内种植和斜向骨内种植的生物力学三维有限元法对比研究
目的:比较上颌骨大型缺损后,行颧区成形术,在颧骨体底部垂直于(牙合)平面方向植入的种植体,与直接往颧骨体斜向30°植入的种植体在垂直(牙合)力作用下表现的生物力学行为差异.方法:按照两个不同种植体义颌的设计特点建立两个一侧上颌骨大型缺损种植体复合体的三维有限元模型,在相同的垂直于(牙合)平面加载100N,比较两者的受力情况.结果:斜向植入种植体颈部大等效应力约是垂直植入种植体的4倍;大拉应力约是垂直植入种植体的10倍;大压应力约是垂直植入种植体的5倍;大剪应力约是垂直植入种植体的4倍.虽然两者在颧骨体以外其余部位的应力分布均类似于颧突支柱的应力传导路径,但斜向种植体受侧向力后在主要传导路径上的大应力值都要明显高于垂直种植体的轴向受力情况.结论:无论是颧骨体研究区的应力分布,还是颧骨体以外其余颅骨骨质的应力情况,垂直植入都要明显优于斜向植入.提示采用在颧区垂直种植的颧颊翼种植体义颌,比颧骨体斜向种植的常规种植体义颌具有优越的生物力学表现.
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两种摩擦系数对种植体基台的固位螺钉松动影响的有限元分析
目的:通过三维有限元法,研究种植义齿在扭矩一定的情况下,摩擦系数改变对固位螺钉松动的影响.方法:本研究应用Ansysis 9.0软件,计算结果由三维数字化图像和图表两种形式来说明:三维数字化图像反映每种模型在各种工况下的应力分布总特征和趋势;图表说明摩擦系数为0.26和0.12种植体基台所受三种外力不同的情况(螺杆等效应力大值应力、大值部位、位移大值).结果:在垂直加载35N力情况下,摩擦系数为0.26,螺钉上的大等效应力为19.076MPa,摩擦系数为0.12,螺钉上的大等效应力为21.404MPa;在水平加载10N力的情况下,摩擦系数为0.26,螺钉上的大等效应力为19.118MPa,摩擦系数为0.12,螺钉上的大等效应力为21.474MPa;在倾斜45°加载70N的情况下,摩擦系数为0.26,螺钉上的大等效应力为44.336MPa,摩擦系数为0.12,螺钉上的大等效应力为45.214MPa,螺钉上的应力分布规律大致相同,均在螺钉的第一个螺纹附近.结论:种植体基台施加的垂直35N、水平10N、倾斜45°70N不同外力,对固位螺钉应力及剩余位移的影响也不同,它们之间呈线形相关.固位螺钉柄与螺丝头交界变化的部位,为螺丝的危险界面.
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腭穹隆形态对上颌全口义齿基托位移的影响
目的:研究腭穹隆形态对上颌全口义齿基托位移的影响.方法:模拟5种咬合状态,对尖、平、凹3种腭穹隆形态的上颌全口义齿的三维有限元模型进行加载.结果:3种腭穹隆形态上颌全口义齿基托在5种加载方式下,凹型腭穹隆形态基托的上腭前部及后缘区向黏膜组织的下压位移大,基托边缘封闭区背离黏膜组织的位移小.基托的位移方式因加载方式不同而不同.结论:上颌全口义齿基托位移方式及大小与加载方式有关;腭穹隆形态对上颌全口义齿基托位移方式无明显影响,对位移值大小有影响.
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颏兜力作用下颞下颌关节及下颌骨受力的三维有限元分析
目的:用三维有限元法观察颏兜力作用下颞下颌关节的受力状况和整个下颌骨的应力分布,探讨颏兜的作用机制及颏兜力作用与TMD的关系.方法:模拟颏兜力的作用,在下颌骨颏点处施加5.88N的力,力的方向为颏点与髁突连线在矢状面上的投影.采用ANSYS有限元结构分析软件在计算机中进行计算和分析.结果:髁突表面大受力区域位于髁突前斜面.关节盘受拉应力大的区域位于相当于关节盘中间带的部位,受压大的区域位于关节盘后带后缘中部.关节窝表面受力大区域位于关节结节后斜面.下颌骨较大压应力区位于力的作用线周围区域,较大拉应力区位于下颌支后部及下颌角附近区域.结论:颏兜力可对TMJ的应力分布产生影响,但颏兜力作用下是否会造成TMD还有待进一步研究.
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不同牙根长度对双套冠覆盖义齿基牙受力的影响
目的 分析下颌双套冠覆盖义齿牙槽骨吸收程度不同对其应力分布的影响.方法 用三维有限元法,分析牙根长度不同时基牙的应力分布.结果 随着牙根周围牙槽骨高度下降,基牙根周骨内大压应力值增加,应力集中范围增大;但在牙槽骨吸收至根尖1/3的范围内,应力值均小于正常情况下牙周膜可耐受的大压应力值.结论 下颌根周牙槽骨吸收至根尖1/3(根长约4～5 mm)的尖牙,在行截冠术和完善的牙体治疗后,如能保持合理的冠根比,即可用做覆盖义齿的基牙.
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上颌第一恒磨牙受力时牙齿及牙槽骨应力分布的三维有限元研究
本项研究应用三维有限元法分析远中移动的上颌第一恒磨牙在不同加载条件下牙齿、牙槽骨的应力分布情况,为正畸临床提供理论基础.1.材料和方法:①建立三维有限元数学模型:采用螺旋 CT(HISP EED NSI PRO,GE公司,美国)分 2 次对牙列完整的头颅骨进行扫描.第一次从牙齿的切缘开始逐层向牙根方进行,层厚为 1 mm.第二次距第一次起点线 0.5 mm 处开始,层厚仍为 1mm,共获得 46 层层厚为 0.5 mm 的断层图像.将 CT 片用扫描仪输入计算机,用 Auto CAD4.0 版绘图软件和 SUPER-SAP93 有限元程序的 Eplot 系统建立三维有限元模型.此模型包括 2 698 个单元,3 334 个节点.②模拟加载:加力方向,沿 Y 轴的正方向即由近中向远中.加力部位:上颌第一恒磨牙距牙颈部 3 mm 处颊、腭侧分别加载.加力大小:颊面分别加载 0.5N 、1.0N、1.5N、 2.0N、 2.5N;腭侧加载1.0N.③计算分析:IBM-486 计算机上 Super-sap93 程序完成计算,获得主应力值.
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上颌支抗磨牙及其支持组织的生物力学研究
我们用三维有限元法,分析后倾曲作用上下颌支抗磨牙及其支持组织的应力分布,牙体瞬间转动中心、牙体运动趋势,为临床控制和维护支抗提供实验依据.
